Conversion numérique analogique : optimiser le calcul du budget d’erreur dans la chaîne de signal

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Dans le domaine de l’électronique, la chaîne de signal peut se présenter sous différentes formes et se composer de plusieurs circuits, parmi lesquels des capteurs, des actionneurs, des amplificateurs, des convertisseurs analogique-numérique (CAN), des convertisseurs numérique analogique (CNA : Conversion numérique analogique) et même des microcontrôleurs. Dans ces différentes utilisations, la précision de l’ensemble de la chaîne de signal joue un rôle décisif. Pour augmenter la précision, il convient avant tout d’identifier et de minimiser les erreurs pouvant se produire à chacun des multiples « maillons ». En fonction de la complexité de la chaîne de signal, cette analyse peut rapidement relever du parcours du combattant ! Le présent article décrit un outil de calcul du budget d’erreur dans la chaîne de signal d’un convertisseur numérique/analogique de précision, ainsi que la contribution de chaque composant connecté au convertisseur. Enfin, nous verrons étape par étape comment cet outil peut être utilisé pour identifier et corriger les problèmes rencontrés.

Un module de calcul du budget d’erreur (voir ici https://beta-tools.analog.com/DACErrorBudget/) couvrant la chaîne de signal d’un convertisseur numérique/analogique est un outil précis et d’utilisation aisée qui permet aux développeurs de sélectionner le composant le mieux adapté à une application particulière. Les convertisseurs N/A sont rarement utilisés seuls dans une chaîne de signal et généralement connectés à des références de tension ou des amplificateurs opérationnels (en tant que tampons de référence, par exemple). Par conséquent, ces composants supplémentaires, ainsi que leurs erreurs respectives, doivent être pris en compte et additionnés. Pour mieux comprendre ce concept, nous allons dans un premier temps examiner les erreurs induites par les principaux composants, comme le montre la figure 1.

Conversion numérique analogique
Figure 1. Principaux composants composant la chaîne de signal d’un convertisseur numérique/analogique.

La référence de tension induit quatre erreurs principales : la première est associée à la précision initiale et indique la variation de la tension de sortie mesurée au cours de tests de production à une température spécifiée de 25 °C. À cette erreur initiale viennent s’ajouter l’erreur liée au coefficient de température, et les erreurs liées à la variation de charge (load regulation) et à la variation de tension (line regulation). L’erreur de précision initiale et l’erreur liée au coefficient de température sont les principaux facteurs contributifs à l’erreur totale.

Dans les amplificateurs opérationnels, l’erreur de tension de décalage en entrée et l’erreur de tolérance des résistances ont les conséquences les plus importantes. L’erreur engendrée en sortie par la tension de décalage fait référence à une tension différentielle peu élevée qui doit être appliquée aux entrées afin de forcer la sortie sur 0 V. L’erreur de tolérance des résistances correspond à l’erreur de gain provoquée par les tolérances correspondantes utilisées pour régler le gain en boucle fermée. D’autres erreurs sont causées par le courant de polarisation, le taux de réjection de l’alimentation (PSRR), le gain en boucle ouverte, le courant de décalage en entrée, le décalage du taux de réjection de mode commun (CMRR) et la dérive de la tension d’offset en entrée.

S’agissant du convertisseur N/A proprement dit, différents types d’erreurs sont indiqués dans la fiche technique. Par exemple, l’erreur de non-linéarité intégrale (INL), qui porte sur la différence entre la tension de sortie idéale et la tension de sortie mesurée pour un code d’entrée donné. Les autres catégories d’erreurs concernent le gain, la tension d’offset et le coefficient de température de gain. Parfois regroupées pour former l’erreur totale non-calibrée (TUE — Total Unadjusted Error), ces erreurs correspondent à la mesure de l’erreur de sortie par rapport à toutes les erreurs qui touchent le convertisseur N/A, c’est-à-dire les erreurs des non-linéarité intégrale (INL), d’offset et de gain, ainsi que la dérive en sortie dans la plage de tension d’alimentation et de température.

Étant donné que les différentes sources d’erreur ne sont généralement pas corrélées, la méthode de la somme des carrés représente l’approche la plus précise pour calculer l’erreur totale dans la chaîne de signal :

De manière générale, collecter les erreurs provoquées par chaque composant représente une tâche fastidieuse qu’il est possible de simplifier en utilisant le calculateur de budget d’erreur dont les résultats sont tout aussi précis.

Figure 2. Représentation de la contribution des erreurs dans le calculateur de budget d’erreur ADI.

Utilisation pas à pas du calculateur de budget d’erreur pour convertisseurs numérique/analgique de haute précision

Première étape, choisir l’un des trois types de convertisseur numérique/analogique en utilisant le calculateur de budget d’erreur : convertisseur à tension de sortie ; convertisseur multiplicateur et convertisseur de source de courant 4-20 mA. Ensuite, définir la plage de température souhaitée et l’ondulation de la tension d’alimentation pour calculer l’erreur. Ce dernier point est déterminant pour l’erreur PSRR. Une fois ces valeurs saisies, le calculateur génère un graphique représentant la contribution de chaque élément composant la chaîne de signal (figure 2).

Dans cet exemple, l’erreur totale est essentiellement influencée par la référence de tension. Il est possible d’améliorer cette chaîne de signal en utilisant un module de référence plus précis.

Les résistances intégrées dont dispose le convertisseur N/A permettent de fixer le gain de l’amplificateur inverseur interne et, par conséquent, d’améliorer le niveau de précision, contribuent de manière décisive à l’erreur totale du convertisseur numérique/analogique. Dans les convertisseurs N/A dépourvus de résistances intégrées et d’amplificateur inverseur interne, ces paramètres peuvent être spécifiés séparément, comme le montre la Figure 2.

Fiable et simple à utiliser, le calculateur de budget d’erreur simplifie la création de la chaîne de signal d’un convertisseur numérique/analogique de précision et permet d’évaluer rapidement les compromis de conception.

Thomas Brand, ingénieur d’application senior, Analog Devices
Source: com-trail.fr